Kiekeboe in het vacuüm

De kosmologische constante, in 1917 ingevoerd door Albert Einstein om een statisch heelal te forceren, raakte al spoedig in diskrediet. Nu het heelal versneld lijkt uit te dijen, komt hij astronomen alsnog goed van pas.

`WEG MET de kosmologische constante', schreef Albert Einstein op 23 mei 1923 in een brief aan de wiskundige Hermann Weyl. Zojuist hadden Weyl en de Engelse astronoom Arthur Eddington op theoretische gronden laten zien dat de constante, die Einstein in 1917 had ingevoerd, niet aan de verwachtingen voldeed. Het werd nog erger toen waarnemingen van Edwin Hubble eind jaren twintig uitwezen dat het heelal niet statisch is, zoals Einstein met zijn constante had willen forceren, maar uitdijt. Tegenover George Gamov karakteriseerde Einstein zijn ingreep later als `de grootste blunder van mijn leven'.

De kosmologische constante verscheen op het toneel toen Einstein zijn Algemene Relativiteitstheorie, die hij in 1915 had voltooid, op het heelal als geheel toepaste. In die tijd werd algemeen aangenomen dat het heelal een statische aangelegenheid was, zonder begin of eind. Om te voorkomen dat de zwaartekracht de sterren naar elkaar toe zou drijven, uitmondend in een finale big crunch, voegde Einstein aan zijn vergelijking een extra term toe die als tegenwicht moest dienen: de kosmologische constante. Die is op te vatten als een vacuüm-energie waarmee het heelal is doordrenkt en die bij een positieve waarde de rol speelt van een soort anti-zwaartekracht. Dat astronomen ooit nog eens de negatieve variant van Einsteins geesteskind zouden omhelzen, was toen ondenkbaar.

De eerste klap voor de kosmologische constante kwam in 1919. Toen ontdekte de Nederlandse astronoom Willem de Sitter dat Einsteins vergelijkingen een heelal toestonden dat geheel uit vacuüm-energie bestond, zonder enige materie. Erger werd het toen de Russische fysicus Alexander Friedmann in 1922 op basis van Einsteins vergelijking vond dat het heelal allerminst statisch is maar uitdijt of inkrimpt. Einstein dacht aanvankelijk te kunnen bewijzen dat Friedmann er naast zat, maar moest al snel toegeven dat hij een rekenfout had gemaakt en dat de Rus het bij het rechte eind had. Door het vroegtijdige overlijden van Friedmann in 1925 kregen zijn resultaten niet de bekendheid die ze verdienden. Maar in 1929 werd het dynamische heelal werkelijkheid toen Hubble vond dat de sterrenstelsels in het heelal van elkaar wegvliegen. Het statische heelal had afgedaan.

Fysici waren weinig rouwig om de val van Einsteins constante. In de Algemene Relativiteitstheorie is zwaartekracht in het heelal het directe gevolg van de aanwezigheid van energie, waartoe (via E = mc²) ook materie gerekend moet worden. Maar de vacuüm-energie die de kosmologische constante representeerde is onafhankelijk van plaats en tijd. De kracht die er mee gepaard gaat doet zich ook in de afwezigheid van materie en straling gelden – de ontdekking van Weyl en Eddington hield in dat twee puntmassa's die in het lege heelal van De Sitter werden losgelaten door de vacuüm-energie uiteen werden gedreven. De alomtegenwoordige kosmische constante had verdacht veel trekjes van de ether, en die was in 1905 nota bene door Einstein zelf ontmaskerd als een metafysisch verzinsel.

Maar de kosmologische constante bleek koppiger dan gedacht. Toen in de jaren dertig fysici de quantummechanica (de theorie die de wisselwerking tussen de bouwstenen van de natuur beschrijft) combineerden met de relativiteitstheorie kwamen ze tot de gevolgtrekking dat het vacuüm geen dooie boel is maar dat het er bruist van de activiteit. Voortdurend duiken uit het niets combinaties van deeltjes en hun anti-deeltjes op, om na korte tijd weer te verdwijnen – alles bij de gratie van de onzekerheidsrelaties van Heisenberg. Dit kiekeboe spelen van virtuele deeltjes mist zijn uitwerking niet. Zo voorspelde Hendrik Casimir dat door hun aanwezigheid twee in vacuüm opgestelde evenwijdige metalen platen naar elkaar toe worden gedrukt, een minuscuul effect dat proefondervindelijk is aangetoond.

In 1967 liet de Russische fysicus Yakov Zeldovich zien dat de energie waarmee virtuele deeltjes gepaard gaan dezelfde uitwerking heeft als de vacuüm-energie van de kosmologische constante. Het probleem was alleen dat de optelsom van alle mogelijke virtuele deeltjes een vacuüm-energie oplevert die de energie van de materie op gigantische wijze overtreft. Om de gedachten te bepalen: er is 10 maal te veel vacuüm-energie: een getal met 120 nullen. Zo'n monstrueuze kosmologische constante zou het heelal in ijltempo opblazen en geen lichtstraal zou in dit expansiegeweld onze ogen nog weten te bereiken. Nog altijd breken fysici zich het hoofd over deze kloof tussen theorie en waarneming en graag zouden ze met Einsteins constante willen afrekenen.

Tegelijkertijd duikt de kosmologische constante elders in de astronomie juist weer op. De afgelopen jaren is de hemel afgespeurd op verwijderde supernova's van het Ia-type. Het gaat om opgebrande witte dwergen die deel uitmaken van een dubbelster-systeem en zoveel materiaal van hun begeleider opsnoepen dat ze op een gegeven moment à la een waterstofbom exploderen en gedurende korte tijd fel oplichten. Door hun speciale eigenschappen functioneren deze supernova's als referentie-lichtbakens in het diepe heelal en is hun afstand nauwkeurig te bepalen. Daarbij bleek dat ververwijderde type Ia-supernova iets zwakker waren dan verwacht. Een mogelijke verklaring is dat ze verder weg staan dan op basis van hun karakteristieken mag worden verwacht. Dat kan als het universum in het verleden langzamer expandeerde dan nu. Zo'n toename in de tijd van het tempo van de uitdijing vereist een kosmische motor. Voor de hand liggende kandidaat: de kosmologische constante.